Водородные энергетические технологии
Водородные энергоустановки
жүктеу/скачать 0,69 Mb. Pdf көрінісі
|
| Водородные энергоустановки
Для производства энергии в современной распределенной энергетике и системах аккумулирования предлагается использовать водородные топливные элементы – химические источники тока (ХИТ), способные преобразовывать химическую энергию в электрическую энергию при электрохимических процессах из постоянно поступающих активных веществ: водорода и окислителя. В отличие от гальванических элементов ТЭ могут работать до тех пор, пока осуществляется подвод реагентов (топлива и окислителя) и отвод продуктов реакции. Можно выделить следующие типы топливных элементов, отличающихся используемым электролитом и, соответственно, анодными и катодными реакциями. – ЩТЭ (AFC) Топливные элементы с щелочным электролитом – МТЭ (DMFC) Метанольные топливные элементы – РКТЭ (MCFC) Топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом – КТЭ (Acidic FC) Топливные элементы с кислотным электролитом – ФКТЭ (PAFC) Топливные элементы с фосфорнокислым электролитом МАТЕРИАЛЫ СЕМИНАРА ЛАБОРАТОРИИ ВЭТ ОИВТ РАН 13
– ТОТЭ (SOFC) Топливные элементы с твердооксидным электролитом – ТПТЭ (PEM FC) Топливные элементы с твердополимерным электролитом Традиционно выделяют три основных области применения топливных элементов: – Портативные, уровень мощности 1 В – 20 кВт, PEM FC, DMFC. Представляют собой устройства либо встроенные, либо предназначенные для заряжания переносной техники, включая вспомогательные системы электропитания для спец транспорта, освещения, военных применений, переносной электроники и т.п.
– Стационарные установки, уровень мощности 0.5 кВт – 400 кВт, PEM FC, MCFC, AFC, SOFC, PAFC. Энергоустановки для производства электрической и иногда тепловой энергии в стационарном исполнении для бесперебойного энергоснабжения, малой и крупномасштабной когенерации. – Транспортные применения, 1 кВт – 100 кВт, PEM FC, DMFC. Основные или вспомогательные устройства для обеспечения движущей силы транспортных средств, легковых автомобилей (FCEV – электромобили с топливными элементами), автобусы, грузовики, погрузчики. В таблице 3Таблица собраны данные по развитию рынка топливных элементов в зависимости от области применения, региона производства и типу. Северная Америка включает США и Канаду, Европа включает все европейские страны за исключением России и Турции, Азия не включает Россию, Турцию, Ближний и Средний Восток, которые вместе со всеми остальными странами и континентами объединены в регион Остальной мир. Таблица 3 – Распределение поставок топливных элементов по приложениям, региону и типу ТЭ [32] Источник Fuel Cell Today
E4tech По приложениям, тыс. ед.
2010 2011
2012 2013
2014 2015
Портативные 6.8
6.9 18.9
13 21.2
17.6 Стационарные 8.3 16.1 24.1
51.8 39.5
49 Транспорт 2.6 1.6
2.7 2 2.9 4.9 ВСЕГО
17.7 24.6
45.7 66.8
63.6 71.5
По регионам, тыс. ед.
тыс. единиц 2010 2011
2012 2013
2014 2015
Европа 4.8
3.9 9.7
6 5.6
8.3 Сев. Америка 3.3 3.3 6.8
8.7 16.9
15.7 Азия
9.5 17
28 51.1
39.3 46.6
Ост. Мир 0.1
0.4 1.2
1 1.8
0.9 ВСЕГО
17.7 24.6
45.7 66.8
63.6 71.5
По типу ТЭ, тыс. ед.
тыс. единиц 2010 2011
2012 2013
2014 2015
PEMFC 10.9
20.4 40.4
58.7 58.4
63.8 DMFC
6.7 3.6
3 2.6
2.5 2.2
PAFC 0 0 0 0 0 0.1 SOFC
0.1 0.6
2.3 5.5
2.7 5.4
MCFC 0 0 0 0 0.1 0.1 AFC
0 0 0 0 0 0 ВСЕГО 17.7
24.6 45.7
66.8 63.6
71.5 14 ВОДОРОДНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ - 2017
Создание топливных элементов высокой мощности наталкивается на множество препятствий, связанных с трудностью масштабирования технологии. Существует фундаментальное ограничение на рост мощности ТЭ, вызванное тем, что перенос энергии через электролит связано с процессами диффузии. Таким образом, рост мощности приводит к резкому увеличению площади поверхности электродов и мембран, что катастрофически увеличивает материалоемкость, сложность и снижает надежность энергоустановок [33]. Таких ограничений не возникает при использовании водорода в паросиловом цикле. Получение пара в водородо-кислородных парогенераторах [34] не только повышать компактность и маневренность энергоустановок, но и способствует росту КПД за счет использования высокотемпературного пара, в то время как КПД топливных элементов с ростом температуры падает. В качестве базовых принципов для разработки водородо-кислородных парогенераторов и парогенераторов используются технологии ракетостроения и газотурбостроения, являющиеся хорошо развитыми на данный момент в ряде стран. В частности экспериментальные образцы с использованием ракетных технологий созданы в России и Германии, а с использованием газотурбинных технологий в Японии. Основными особенностями экспериментальных образцов являются: – высокая удельная мощность, достигающая 100 МВт (т)/м 3 ; – низкое содержание недогоревших компонентов водорода и кислорода на выходе (менее 2 % (об.); – широкий диапазон мощности созданных экспериментальных моделей (от 20 кВт (т) до 40 МВт (т)); – минимальное время запуска и выхода на рабочий режим (менее 10 сек); – использование в качестве охладителя и балластировочного компонента – воды; – возможность работы как на газообразных, так и на жидких компонентах окислителя. Преимущества водородо-кислородных парогенераторов перед традиционными представлены в таблице 4. Таблица 4 - Сравнение характеристик водородо-кислородных и традиционных парогенераторов мегаваттного класса
Водородо-кислородные Традиционные (нефть, газ, уголь) Макс. температура 1000-1700 °C 500-600 °C Теплообмен смешиванием через стенку КПД 98-99,5% 90-94 % Удельная мощность > 2000
МВт/м
3
3
> 2000 кг/МВт Время старта < 5 сек часы
Загрязнение Нет
CO 2 , NO x , SO
x и т.д.
жүктеу/скачать 0,69 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|